Министерство  науки и образования, молодежи и  спорта Украины

Национальный  технический университет Украины  «Киевский                           политехнический институт»

Межуниверситетский  медико-инженерный факультет 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат на тему:

«Строение и функционирование пассивной части двигательного аппарата. Система скелета. Биокинематические цепи. Степени свободы движений и связей» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                     Подготовила:

                                                     студентка гр.БМ-91

                                                     Процко Татьяна 

                                                     Проверила:

                                                     к.т.н., Тарасова Л.Д. 
 
 
 
 
 
 
 

Киев 2011

Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Одним из важнейших свойств живого организма  является передвижение в пространстве. Эту функцию у млекопитающих (и  человека) выполняет опорно-двигательный аппарат. Опорно-двигательный аппарат (аппарат опоры и движения) объединяет кости, соединения костей и мышцы. Опорно-двигательный аппарат разделяют на пассивную и активную части. К пассивной части относятся кости и соединения костей. Активную часть составляют мышцы, которые благодаря способности к сокращению приводят в движение кости скелета.

     Скелет (от греч. skeleton — высохший, высушенный) представляет собой комплекс костей, выполняющих опорную, защитную, локомоторную функции. В состав скелета входит более 200 костей, из них 33—34 непарные. Скелет условно подразделяют на две части: осевой и добавочный. К осевому скелету относится позвоночный столб (26 костей), череп (29 костей), грудная клетка (25 костей); к добавочному — кости верхних (64) и нижних (62) конечностей (рис. 1). Масса «живого» скелета у новорожденных около 11% массы тела, у детей разного возраста — от 9 до 18%. У взрослых людей отношение массы скелета к массе тела до пожилого, старческого возраста сохраняется на уровне до 20%, затем несколько уменьшается.

       Кости скелета являются рычагами, приводимыми в движение мышцами.  В результате этого части тела  изменяют положение по отношению  друг к другу и передвигают  тело в пространстве. К костям  прикрепляются связки, мышцы, сухожилия, фасции. Скелет образует вместилища для жизненно важных органов, защищая их от внешних воздействий: в полости черепа расположен головной мозг, в позвоночном канале — спинной, в грудной клетке — сердце и крупные сосуды, легкие, пищевод и др., в полости таза — мочеполовые органы. Кости участвуют в минеральном обмене, они являются депо кальция, фосфора и т. д. Живая кость содержит витамины A, D, С и др. Кости образованы костной тканью, которая относится к соединительной, состоит из клеток и плотного межклеточного вещества, богатого коллагеном и минеральными компонентами. Они-то и определяют физико-химические свойства костной ткани (твердость и упругость). В костной ткани содержится около 33 % органических веществ (коллаген, гликопротеиды и др.) и 67 % неорганических соединений. Это в основном кристаллы гидрооксиапатита. Сопротивление свежей кости на разрыв такое же, как меди, и в 9 раз больше, чем свинца. Кость выдерживает сжатие 10 кг/мм (аналогично чугуну). А предел прочности, например, ребер на излом ПО кг/см². 

     Рис. 1. Скелет человека.  Вид спереди: 1 — череп, 2 — позвоночный столб, 3 — ключица, 4 — ребро, 5 — грудина, 6 — плечевая кость, 7 — лучевая кость, 8 — локтевая кость, 9 — кости запястья, 10 — пястные кости, 11 — фаланги пальцев кисти, 12 — подвздошная кость, 13 — крестец, 14 — лобковая кость, 15 — седалищная кость, 16 — бедренная кость, 17 — надколенник, 18 — большебер-цовая кость, 19 — малоберцовая кость, 20 — кости предплюсны, 21 — плюсневые кости, 22 — фаланги пальцев стопы

Система скелета

     Скелет  человека включает позвоночный столб, ребра и грудину — кости туловища; череп; кости верхних и нижних конечностей. Особенности строения скелета и отдельных его костей сформировались в связи с прямохождением, развитием головного мозга и органов чувств, различными функциями верхних и нижних конечностей. Кости скелета соединяются между собой с помощью разных видов соединений.

Позвоночный столб

     Позвоночный столб (позвоночник), columna vertebralis, образован  последовательно накладывающимися друг на друга позвонками, которые соединены между собой при помощи межпозвоночных дисков, связок и суставов. Формируя осевой скелет, позвоночный столб выполняет опорную функцию, служит гибкой осью туловища, участвует в образовании задней стенки грудной и брюшной полостей и таза и является вместилищем для спинного мозга. В позвоночном канале, canalis vertebralis, находится спинной мозг. Таким образом, позвоночник принимает участие в защите спинного мозга и внутренних органов от повреждений. В вертикальном положении позвоночный столб образует опору для головы, органов грудной и брюшной полостей. В позвоночном столбе выделяют пять отделов: шейный, грудной, поясничный, крестцовый и копчиковый. Только крестцовый отдел позвоночного столба является неподвижным, остальные его отделы обладают различной степенью подвижности.

     Отдельные позвонки, образующие позвоночный столб, соединены между собой с помощью  всех видов соединений — суставов, непрерывных соединений и полусуставов. При сокращении мышц, прикрепляющихся к позвонкам, происходит изменение положения позвоночного столба в целом или его отдельных частей. Таким образом, отдельные позвонки играют роль костных рычагов.

     Длина позвоночного столба у взрослого  мужчины колеблется от 60 до 75 см, у  женщин — от 60 до 65 см, что составляет около 2/5 длины тела взрослого человека. В старческом возрасте длина позвоночного столба уменьшается примерно на 5 см и больше вследствие увеличения изгибов позвоночного столба и уменьшения толщины межпозвоночных дисков (рис.2).

     Наибольший поперечник (11—12 см) позвоночный столб имеет на уровне основания крестца. Ширина позвонков уменьшается снизу вверх, на уровне XII грудного позвонка она равна 5 см. Затем происходит постепенное увеличение ширины позвоночного столба до 8,5 см на уровне I грудного позвонка, что связано с прикреплением на этом уровне верхних конечностей. Далее снова наблюдается уменьшение ширины позвоночного столба до I шейного позвонка. От основания крестца книзу заметно уменьшение поперечника позвоночного столба в связи с уменьшением силы тяжести и передачи ее через тазовые кости на головки бедренных костей.

     Рис. 2.Оссификация скелета. Позвоночник

     Позвоночный столб не занимает строго вертикальное положение. Он имеет изгибы в сагиттальной и фронтальной плоскостях. Изгибы позвоночного столба, обращенные выпуклостью назад, называются кифозами, выпуклостью вперед — лордозами, а выпуклостью вправо или влево — сколиозами. Выделяют физиологические изгибы позвоночного столба, наблюдаемые у здорового человека, и патологические, которые развиваются вследствие различных болезненных процессов или в результате неправильной посадки ребенка за партой в школе. Различают следующие физиологические изгибы: шейный и поясничный лордозы, грудной и крестцовый кифозы, грудной (аортальный) сколиоз (рис.3). Физиологические лордозы и кифозы являются постоянными образованиями, аортальный сколиоз встречается в 1/3 случаев, расположен на уровне III—IV и V грудных позвонков в виде небольшой выпуклости вправо и вызван прохождением на этом уровне грудного отдела аорты.

     Рис.3 Изгибы позвоночного столба

      Движения  позвоночного столба подобны изменениям положения и формы упругого стержня, укрепленного на штативе . Вместе с  тем здесь все движения как  бы контролируются и направляются его  суставами, а в грудном отделе значительно ограничиваются ребрами.

      Наиболее  подвижными являются шейный, нижнегрудной и верхнепоясничный отделы позвоночного столба. Схематически разнообразные  формы движений позвоночного столба могут быть представлены в следующем  виде: движения вокруг фронтальной оси (сгибание и разгибание) — общий размах 170—245°; движения вокруг сагиттальной оси (отклонение в стороны) — около 55°; вращение вокруг вертикальной оси — до 90° (в значительной мере определяется тренировкой).

      Движения  головы могут быть классифицированы следующим образом: сгибание и разгибание, определяемое скользящей подвижностью во всех суставах шейного отдела позвоночного столба; вращение вокруг вертикальной оси, в котором принимают участие лишь атланто-затылочные и атланто-осевые суставы; боковые наклоны головы, определяемые также главным образом суставами двух верхних шейных позвонков; круговые вращения, происходящие в суставах нижних трех-четырех шейных позвонков.

      В молодом возрасте позвоночный столб  более подвижен, у пожилых людей объем движений во всех его отделах резко сокращен. Это объясняется некоторым сплющиванием и частичным окостенением межпозвонковых дисков, а иногда и рядом заболеваний (чаще всего — остеохондрозом, деформирующим спондилезом и др.). Такие заболевания обычно носят профессиональный характер (тяжелый физический труд, спорт и др.).

Грудная клетка

     Грудная клетка представляет собой костно-хрящевое образование, состоящее из грудных  позвонков, 12 пар ребер и грудины, соединенных между собой при  помощи различных видов соединений. У грудной клетки различают 4 стенки (переднюю, заднюю и две боковые) и два отверстия (верхнюю и нижнюю апертуры). Передняя стенка образована грудиной и реберными хрящами, задняя — грудными позвонками и задними концами ребер, а боковые — ребрами. Ребра отделены друг от друга межреберными промежутками. Верхняя апертура ограничена верхним краем грудины, первыми ребрами и передней поверхностью первого грудного позвонка.

     Переднебоковой  край нижней апертуры, образованный соединением передних концов VII—X ребер, называется реберной дугой. Правая и левая реберные дуги ограничивают с боков подгрудинный угол, открытый книзу. По бокам сзади нижняя апертура ограничена двенадцатыми ребрами и двенадцатым грудным позвонком. Через верхнюю апертуру проходят трахея, пищевод, сосуды, нервы. Нижняя апертура закрыта диафрагмой, которая имеет отверстия для прохождения аорты, пищевода и нижней полой вены.

     Грудная клетка человека по форме напоминает неправильной формы усеченный конус. Она расширена в поперечном направлении и уплощена в переднезаднем, спереди она короче, чем сзади.

     В старческом возрасте в связи с  увеличением грудного кифоза грудная  клетка укорачивается и опускается.

     Физические  упражнения не только укрепляют грудную  мускулатуру, но и увеличивают размах движений в суставах ребер, что приводит к увеличению объема грудной клетки при дыхании и жизненной емкости легких.

Строение  черепа

     Череп, образованный парными и непарными  костями, защищает от внешних воздействий  головной мозг и органы чувств и  дает опору начальным отделам пищеварительной и дыхательной систем.

     Череп условно подразделяют на мозговой и  лицевой. Мозговой череп является вместилищем  для головного мозга.

     С ним неразрывно связан лицевой череп, служащий костной основой лица и  начальных отделов пищеварительного и дыхательного путей и образующий вместилища для органов чувств.

     Мозговая  часть черепа включает в себя: лобную кость, две теменные кости, две височные кости, две клиновидные кости, затылочную кость Лицевая часть черепа состоит  из: верхней челюсти, двух носовых костей, скуловой кости, нижней челюсти.

     Череп претерпевает существенные изменения  в онтогенезе (рис.4). После рождения рост черепа происходит неравномерно. В пост-натальном онтогенезе выделяют три периода роста и развития черепа.

     1. Период энергичного активного роста — от рождения до 7 лет

     2. Период замедленного роста — от 7 до 12—13 лет

     3. В третьем периоде — после 13 лет

     Целесообразно выделить и 4-й период — период преобразования черепа, в пожилом и старческом возрасте.

     Рис.4. Оссификация скелета. Череп

Скелет  конечностей

     Скелет  конечностей в процессе эволюции человека претерпел существенные изменения. Верхние конечности стали органами труда, а нижние, сохранив функции  опоры и передвижения, удерживают тело человека в вертикальном положении.

     Верхняя конечность как орган труда в  процессе филогенеза приобрела значительную подвижность. Наличие у человека ключицы - единственной кости, соединяющей  верхнюю конечность с костями  туловища, дает возможность производить  более обширные движения. Помимо этого, кости свободной части верхней конечности подвижно сочленяются друг с другом, особенно в области предплечья и кисти, приспособленной к различным сложным видам труда.

     Нижняя  конечность как орган опоры и  перемещения тела в пространстве состоит из более толстых и массивных костей, подвижность которых друг относительно друга менее значительна, чем у верхней конечности.

     В скелете верхней и нижней конечностей  человека выделяют пояс и свободную  часть.

     Пояс  верхней конечности (грудной пояс) состоит из двух костей ключицы и лопатки.

     Свободная часть верхней конечности делится  на три отдела: 1) проксимальный-плечевая кость; средний - кости предплечья, состоит  из двух костей: лучевой и локтевой; 3) скелет дистальной части конечности - кости кисти, в свою очередь делится на кости запястья, пястные кости (I-V) и кости пальцев (фаланги). Пояс нижней конечности (тазовый пояс), образован парной тазовой костью. Тазовые кости сзади сочленяются с крестцом, спереди друг с другом и с проксимальной костью (бедренной) свободной части нижней конечности.

     Скелет  свободной части нижней конечности сходен по плану строения со скелетом верхней конечности и также состоит  из трех частей: 1) проксимальной бедренная  кость (бедро); 2) средней кости голени: большеберцовая и малоберцовая. В  области коленного сустава находится большая сесамовидная кость - надколенник; 3) дистальная часть нижней конечности - стопа - также делится на три части: кости предплюсны, плюсневые кости (I-V) и кости пальцев (фаланги).

Биомеханика движений

      Среди многочисленных физиологических функций организма двигательная функция является единственной, обеспечивающей активное воздействие человека на внешнюю среду, преодоление ее сопротивления, приспособление к условиям внешней среды.

      Движения  человека подчиняются законам механики.

      С точки зрения механики, человек представляет собой систему подвижно соединенных  звеньев, обладающих определенными  размерами, массой, моментами инерции  и снабженных мышечными двигателями.

      Анатомическими  структурами, образующими эти звенья и соединения являются кости, сухожилия, мышцы и фасции, фиброзные и синовиальные соединения костей, а также внутренние органы, кожа и т. д.

Биомеханические цепи

     Биомеханическая система тела человека состоит из биомеханических цепей. Множество частей тела, соединенных подвижно, образует биокинематические цепи. К ним приложены силы (нагрузки), которые вызывают деформации звеньев тела и изменение их движений.

     Биокинематические цепи опорно-двигательного аппарата состоят из подвижно соединенных  звеньев (твердых, упругих и гибких) и отличаются их переменным составом, своей длиной и формой (составные рычаги и маятники).

     Фиксирование  суставов (блокада) и их освобождение (снятие динамических связей — тяги мышц) изменяют число движущихся звеньев  в цепи. Она может превратиться как бы в одно звено или сохранять движение в части сочленений или во всех сочленениях.

     Соединенные два соседних звена тела образуют пару, а пары, в свою очередь, соединены  в цепи.

     Биокинематическая пара — это подвижное (кинематическое) соединение двух костных звеньев, в котором возможности движений определяются его строением и управляющим воздействием мышц.

     В технических механизмах соединения двух звеньев — кинематические пары — устроены обычно так, что возможны лишь вполне определенные, заранее заданные движения.  Одни возможности не огра-ничены (их характеризуют степени свободы движения), другие полностью ограничены (их характеризуют степени  связи)

     Различают связи: а) геометрические (постоянные препятствия  перемещению в каком-либо направлении, например костное ограничение в суставе) и б) кинематические (ограничение скорости, например мышцей-антагонистом).

     В биокинематических парах имеются  постоянные степени связи которые  определяют собой сколько как  максимум и каких остается степеней свободы движения. Почти все биокинематические пары в основном вращательные (шарнирные); немногие допускают чисто поступательное скольжение звеньев относительно друг друга и лишь одна пара (голеностопный сустав) — винтовое движение.

     Биокинематическая цепь — это последовательное либо незамкнутое (разветвленное), либо замкнутое соединение ряда биокинематических пар (рис.5).

     Рис.5.Биокинематические цепи тела человека: а - виды цепей, bат - незамкнутая, ABCDEA -замкнутая на себя,  dff₁d₁d - замкнутая через опору; б - взаимосвязь движений в замкнутой цени; в, г, д, е - степени свободы движений тела. 

     Кости, соединенные подвижно, образуют основу биокинематических цепей. Приложенные к ним силы (мышечные тяги и др.) действуют на звенья биокинематической цепи, как на рычаги. Это позволяет передавать действие силы по цепям, а также изменять эффект приложения сил. Таким образом, рычаг как простейший механизм служит для передачи движения и силы на расстояние.

     Различают рычаги первого рода (двуплечий) и  второго рода (одноплечий) . Первый характеризуется тем, что две группы сил приложены по обе стороны от оси (точки опоры) рычага, а во втором случае – по одну сторону.

Вне зависимости  от вида рычага в каждом из них выделяют:

1)   точку опоры;

2)    точку приложения сил;

3)    плечи рычага   (расстояние от точки опоры до места приложения сил) ;

4)   плечи сил (длина перпендикуляра, опущенного из точки опоры на линию действия силы) .

      Опорно-двигательный аппарат человека состоит из сочлененных  между собой костей скелета. Кости  скелета действуют как рычаги, которые имеют точку опоры в сочленениях или во внешней среде и приводятся в движение силой тяги, возникающей при сокращении мышц, прикрепленных к костям.

      Рычаг первого рода, обеспечивающий перемещение или равновесие головы в сагиттальной плоскости.

      На  рис. 6 изображен череп и действующие на него силы.

      Ось вращения (О) проходит через сочленение черепа с первым позвонком. На череп  действуют две силы, приложенные  по разные стороны от оси.

      • Сила тяжести (R), приложенная к центру тяжести черепа. Плечо этой силы обозначено буквой Ь.

      • Сила тяги мышц и связок (F), приложенная к затылочной кости. Плечо этой силы обозначено буквой а.

      Рис. 6. Рычаг в сагиттальной плоскости черепа

      Условие равновесия рычага F·а = R·b.

      Рычаг второго рода, дающий человеку возможность вставать на цыпочки.

      На  рис. 7 изображена стопа и действующие на нее силы.

      Рис. 7. Стопа в положении на цыпочках 

      Ось вращения (О) проходит через головку  плюсневых костей. На стопу действуют  две силы, приложенные по одну сторону от оси.

      • Сила тяжести (R), равная половине силы тяжести, действующей на все тело. Плечо этой силы обозначено буквой b — расстояние от соединения стопы до точки контакта плюсны и пола (обычно 12см);

      • Сила тяги мышц (F), передаваемая с помощью ахилловых сухожилий и приложенная к выступу пяточной кости. Плечо этой силы обозначено буквой а — расстояние от точки опоры до точки действия ахилловых сухожилий (обычно 18 см).

      Условие равновесия рычага: F·a = R·b. В данном случае а > b, следовательно, F < R. Поэтому рычаг дает выигрыш в силе, но проигрыш в перемещении.

      По  принципу рычага второго рода работает предплечье человека.

      На  рис. 8 изображены предплечье и кисть с грузом, а также действующие на них силы.

      Рис.8. Кости предплечья, участвующие в удержании предмета кистью 

      Ось вращения (О) находится в локтевом суставе. На рычаг действуют две  силы, приложенные по одну сторону  от оси.

      • Сила тяжести (R), равная весу груза. Плечо этой силы обозначено буквой b.

      • Сила тяги мышц (F), передаваемая с помощью бицепса. Плечо этой силы обозначено буквой а.

      Условие равновесия рычага: р·а = R·b. В данном случае а < b, следовательно, F > R. Поэтому рычаг дает проигрыш в силе (примерно в 8 раз). Целесообразно ли такое устройство? На первый взгляд, как будто нет, поскольку имеется потеря в силе. Однако согласно «золотому правилу» механики потеря в силе вознаграждается выигрышем в перемещении: перемещение кисти в 8 раз больше величины сокращения мышцы. Одновременно происходит и выигрыш в скорости движения: кисть движется в 8 раз быстрее, чем сокращается мышца.

      Таким образом, способ прикрепления мускулов, который имеется в теле человека (животных), обеспечивает конечностям  быстроту движений, более важную в  борьбе за существование, нежели сила. Человек был бы крайне медлительным существом, если бы руки у него не были устроены по этому принципу.

Степени свободы движений и связей

      Суставы, связывая в единое целое части  тела, сохраняют возможности для  их движений. Если часть тела может  двигаться только по одной траектории, причем возможности движений по всем остальным траекториям ограничиваются связями, в механике говорят об одной степени свободы, или о степени подвижности.

     Совершенно  свободное тело имеет шесть степеней свободы. Оно может врашаться  вокруг трех основных взаимно перпендикулярных осей, а также двигаться вдоль каждой из этих осей.

     Если  закрепить тело в одной точке, то у него остается только три степени свободы: оно может вращаться вокруг этой точки в трех основных направлениях (плоскостях) . При закреплении тела еще в одной точке оно как бы насаживается на ось, соединяющую обе данные точки. В этом случае сохраняется лишь одна степень свободы: тело может вращаться лишь вокруг оси, проходящей через обе закрепленные точки.

     Если  же закрепить тело и в третьей  точке, не лежащей на одной прямой с остальными двумя точками, то оно  потеряет последнюю степень свободы: будет закреплено неподвижно.

     Возможности движений отдельных точек тела при  закреплении тела несколько иные. При одной закрепленной точке любая точка этого тела имеет только две степени свободы, т.е. она может двигаться только в двух направлениях по шаровой поверхности. При двух закрепленных точках тела у любой его точки будет лишь одна степень свободы, т.е. возможна одна траектория движения. Само собой разумеется, что у тела, закрепленного в трех точках, нет ни одной степени свободы. У совершенно свободного тела любая точка имеет всего три степени свободы, т.е. может двигаться в любом из трех направлений трехмерного пространства.

     Вопрос  о степенях свободы подробно изучался польскими исследователями (Morecki, Ekiel, Fidelus) , которые, рассматривая тело как сложный биомеханизм, кости – как жесткие звенья, а суставы – как кинематические пары определенных классов. Структурная схема опорно-двигательного аппарата представлена на рис.9.